Изобретение относится к огневым технологиям, конкретнее к теплоэнергетическим установкам, устройствам преобразования тепловой энергии в реактивную тягу (газотурбинным, ракетным двигателям), и может найти широкое применение в теплоэнергетике и авиации.
Известны способы и устройства сжигания топлива путем подачи и взаимосвязанного регулирования топлива и окислителя в топку с последующим воспламенением топливной смеси, ее сжиганием и отводом отходящих газов в атмосферу через вытяжную трубу (аналоги - Политехнический словарь. - М.: "Советская энциклопедия", 1976 г., с. 196).
Известные аналоги не обеспечивают высокого качества сгорания топлива и имеют низкие экологические показатели отходящих газов.
Известны различные способы и устройства интенсификации сжигания топлива путем его предварительного подогрева (термического за счет тепла отходящих газов или электротермического), лучшего распыления и смешивания и завихрения смеси путем использования в качестве окислителя кислорода (аналоги - из кн. Н. А. Федорова. "Техника и эффективность использования газа". - М.:"Недра", 1975 г., с. 235).
Применение всех этих способов и устройств позволяет экономить до 20% топлива, улучшить экологию сжигания топлива, однако по-прежнему не обеспечивает полного сгорания топлива и глубокой экологической очистки отходящих газов в связи с неполным взаимодействием топлива с окислителем, из-за двойного электрического слоя на границе фронта пламени, недостаточной интенсивностью протекания разветвленных цепных реакций горения, особенно низкокалорийных топлив (мазутов, угля, торфа).
Известен способ сжигания топлива в сильном электрическом поле (US N 4588372, МПК F 23 N 5/12, 1985 г. - прототип), согласно которому сжигание топлива осуществляют путем взаимосвязанной подачи топлива и окислителя, их перемешивания и воспламенения смеси электроискровым способом. Для этого устройство выполнено в виде горелки, содержащей воздуховод, топливопровод, топливную форсунку, камеру сгорания и вытяжную трубу для отвода продуктов сгорания. Недостатки прототипа (способа и устройства для его осуществления) состоят в ограниченной области применения изобретения.
Технический результат изобретения состоит в дальнейшем совершенствовании электрополевых катализаторных способов и устройств интенсификации сжигания топлива и расширения сферы их применения.
Предлагается способ сжигания топлива путем подачи и взаимосвязанного регулирования топлива и окислителя, их смешивания и воспламенения, с последующей обработкой факела пламени регулируемым электрическим полем с напряженностью порядка 1 кВ/см от его устья до вершины путем подачи высокого напряжения на электроизолированные от корпуса горелки топливную форсунку и рабочий электрод, с регулированием напряженности поля и тока эмиссии электронов в пламя по условию предотвращения электрического разряда источника электрического поля через пламя, который дополнен операцией регулирования тока эмиссии путем введения дополнительного управляющего потенциала через дополнительный подвижный электрод, между топливной форсункой и началом факела пламени, операцией механического регулирования положения этих электродов относительно факела пламени, операцией выработки и подачи взаимосвязанных управляющих воздействий на изменение электрических параметров электрического поля (величин напряжения, частоты) и пространственного положения управляющего и рабочего электродов относительно факела пламени, по критерию поддержания наибольшего тока электронной эмиссии с форсунки и наибольшей напряженности поля при предотвращении электрического пробоя источников через пламя.
Развитие способа состоит в способе подачи высоковольтных потенциалов электрического поля на электроизолированные от корпуса форсунку и электроды, а именно на форсунку подают отрицательные потенциалы двух высоковольтных знакопостоянных источников, причем плюс первого источника подают на управляющий электрод, плюс от второго подают на рабочий электрод, соотношения потенциалов на управляющем и рабочем электродах поддерживают примерно 1:5.
Развитие способа применительно к ракетным и газотурбинным двигателям состоит в обеспечении максимального ускорения струи ионизированных частиц пламени и отходящих газов посредством продольного электрического поля, максимально допустимой напряженности по условию предотвращения электропробоя источников поля через пламя, а также в способе подачи высоковольтного положительного потенциала на электроизолированный от корпуса рабочий электрод, размещенный на срезе рабочей камеры, выполненной в этом варианте в виде реактивного сопла.
Предложено устройство для осуществления данного способа, содержащее топливную горелку с воздуховодом, топливопроводом и топливной форсункой, регуляторы и датчики расхода топлива и окислителя, камеру сгорания, вытяжную трубу для отвода продуктов горения, в которое введены игольчатый рабочий электрод, электроизолированный от корпуса и размещенный выше факела пламени, высоковольтный регулируемый преобразователь напряжения, выходы которого присоединены к форсунке и рабочему электроду, датчики параметров пламени и отходящих газов, датчик тока в цепи преобразователя и управляющий орган (оптимизатор режима).
Кроме того, устройство дополнено управляющим электродом, размещенным в зоне воспламенения топлива, форсунка и управляющий электрод также выполнены с игольчатой поверхностью с направлением игл в зону горения пламени, электроды выполнены подвижными относительно зоны горения пламени и имеют, например, кольцевую форму, устройство снабжено также двумя управляемыми высоковольтными преобразователями напряжения, электрически присоединенными одним общим выходом к форсунке, а другим - к электродам, причем на промежуточный (управляющий) электрод присоединен выход первого, более низковольтного преобразователя напряжения, соотношение электрических высоковольтных потенциалов этих источников составляет примерно 1:5, выходы всех перечисленных выше датчиков присоединены на вход оптимизаторов режима, а выход оптимизатора присоединен на входы управления амплитудой и частотой упомянутых высоковольтных преобразователей напряжения, и на управляющий орган устройства механического перемещения электродов вдоль оси топливной горелки относительно факела пламени.
Нами экспериментально выяснено, что продольное вдоль факела пламени электрическое поле повышает эффективность преобразования тепловой энергии горящего топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и газов вследствие упорядочивания теплового движения ионизированных и поляризованных частиц топлива и отходящих газов силовым кулоновским воздействием на них, направленным именно вдоль вектора поля.
Поэтому становится целесообразным применение этого способа не только в теплоэнергетических установках, но и на ракетных и газотурбинных двигателях, что позволяет снизить расход топлива и повысить удельные тяговые характеристики этих реактивных двигателей
Развитие изобретения-устройства состоит в применении его в ракетных и газотурбинных двигателях посредством размещения рабочего электрода на срезе рабочей камеры, выполняемой в данном варианте использования изобретения, в виде реактивного сопла, причем высоковольтные преобразователи напряжения выполняют в этом случае в виде индуктивно-полупроводниковых автогенераторов с повышающими обмотками и высоковольтными выпрямителями, присоединенными к соответствующим электродам и форсунке, а электропитание преобразователей осуществляют от бортовой электросети.
Таким образом, предлагаемые усовершенствования способа и устройства-прототипа в части повышения управляемости благодаря введению дополнительного электрода, двух управляемых источников высокого напряжения, введению операции и устройства пространственного регулирования положения электродов относительно факела пламени, различным силовым схемам высоковольтных преобразователей и схемам их подключения к форсунке и электродам привели к новым положительным эффектам - расширению сферы применения способа и устройства не только на теплоэнергетические установки, но и на реактивные двигатели, к повышению эффективности каталитического воздействия электрических полей на интенсификацию горения топлива.
Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере топливной горелки, показанной в упрощенном виде на чертеже.
Предлагаемая топливная горелка содержит воздуховод 1, топливопровод 2, врезанный герметично в воздуховод 1 с электроизолированным от топливной магистрали топливным насосом 3, центральный проходной электроизолятор 4, размещенный коаксиально снаружи воздуховода 1 и жестко удерживающий его внутри первого наружного диффузора 5, внутри которого размещен также расширительный воздуховод 6, укрепленный на диффузоре 5, и проходящий внутри второго конического диффузора 7, который механически прикреплен на диффузоре 5 фланцевым соединением на крышке 9. Внутренний топливопровод 2 имеет на конце топливную форсунку 9 с игольчатыми шипами 9-1, направленными в сторону пламени.
Топливная горелка снабжена также двумя кольцевыми электродами 10, 12 с шипами 11, 13 по периметру их внутренних окружностей, направленными в сторону пламени, причем электроды 10, 12 жестко соединены с соответствующими механическими разъемами 14 и подвижно с соответствующими вертикальными подвижными штангами 15, которые в свою очередь вставлены в полые электроизоляторы 16, которые жестко закреплены на металлических упорах 17, жестко присоединенных к верхнему диффузору 5, причем подвижные штанги пропущены через верхние электроизоляторы 18, жестко укрепленные на верхней крышке 19-1 корпуса топливной горелки 19 (на чертеже показан вырез корпуса 19). Сверху подвижные штанги снабжены высоковольтными клеммами 20, электрически присоединенными к двум плюсовым выходам высоковольтного преобразователя 21 (с диапазоном регулирования напряжения от 2 до 80 кВ). Данный преобразователь 21 содержит полупроводниковый регулятор 22 амплитуды и частоты выходного переменного напряжения, например, в виде однофазного тиристорного преобразователя частоты, высоковольтный повышающий трансформатор 23, например, трех обмоточного типа, с промежуточными отводами высокого напряжения и со средней точкой, а также выходной высоковольтный демодулятор 24, выполненный в простейшем случае в виде двух однофазных двух полупериодных выпрямителей, присоединенных к соответствующим отводам высоковольтного трансформатора 23, причем минусовой выход выпрямителей общий, и присоединен к топливной форсунке 9 через внутренний топливопровод 2. Топливная горелка снабжена также датчиками тока 25, включенных во входной и выходных электрических цепях высоковольтного преобразователя 21, датчики параметров пламени (температуры, светимости, состава) 26, датчики параметров отходящих газов 27, датчики расхода топлива Т и окислителя В 28, причем все выходы перечисленных датчиков присоединены через оптимизатор режима 29, например, цифровой процессор, на вход управления амплитудой (λ) и частотой f регулятора напряжения 22, присоединенного по электропитанию к стандартной, например, однофазной сети переменного тока 30.
На чретеже показаны буквенными обозначениями также:
В - воздух; ОЗ - озон; Т - топливо; ТВС - топливовоздушная смесь; ОГ - отходящие газы; ОР - оптимизатор режима; Э - электроны эмиссии с шипов форсунки и электродов 10, 12; Тд - механизм электростатического распыления топлива Т;
"+, -" Uпит. - выходное высоковольтное напряжение (10-80 кВ);
"+, - " Uпит.2 - выходное высоковольтное напряжение на озонирующем электроде 10;
α - угол раскрытия струи топлива из форсунки 9 в электрическом поле;
β - угол выхода воздушной струи из воздуховода 6;
λ,f - угол регулирования (скважность) и частота - управляющие сигналы оптимизатора режима (ОР) для регулятора-преобразователя напряжения 22).
Отметим, что из-за перегруженности чертежа, на нем не показаны устройство электрозажигания топлива и некоторые другие второстепенные элементы, а многие элементы новой топливной горелки показаны схематично для простого пояснения принципа работы по предложенному электроогневому способу сжигания, например, высоковольтный преобразователь напряжения 21 показан простой блок-схемой, без раскрытия принципиальных схем отдельных его узлов 22, 23, 24.
Топливная горелка работает следующим образом.
Вначале подают воздух в воздуховод 1 и топливо от топливного насоса 3 через топливопровод 2 и форсунку 9, затем турбулентно смешивают их и воспламеняют полученную ТВС, например, электроискровым способом. Затем измеряют параметры ТВС, ОГ, пламени датчиками 26, 27, 28 и регулируют подачу Т и В от оптимизатора режима 29, например, по критерию минимального расхода топлива при заданной температуре пламени и ОГ. Затем подключают высоковольтный преобразователь напряжения 21 к сети 30 и регулируют его выходные параметры (напряженность, частоту, токи - входной и выходной) взаимосвязанно с регулированием положения кольцевых электродов 10, 12 по нижней и верхней частям пламени, обеспечивают тем самым электрополевое "сжимание" пламени в вертикальной плоскости и "растягивание", расширение его в горизонтальной плоскости относительно вертикальных штанг 15. Критерием правильной настройки данной системы электрополевого катализатора горения пламени является максимальное снижение расхода топлива при фиксированной, неизменной по сравнению с обычным способом сжигания топлива, выделяемой теплоте сгорания и минимальном расходе электроэнергии преобразователем 21 от сети 30 либо достижение наивысшей температуры пламени и выделяемой тепловой энергии при неизменном по сравнению с традиционным способом сжигания топлива, при минимизации потребляемой электроэнергии из электросети 30, либо достижение наилучшей степени экологической очистки отходящих газов при заданных параметрах по расходу топлива и электроэнергии. Все эти оптимизационные режимы достигают путем перенастройки оптимизатором режима 29 режима работы источника электрического поля 21 и изменением положения кольцевых электродов 10, 12 относительно фронта пламени в топливной горелке.
Рассмотрим более подробно механизм воздействия электрического поля, подаваемого от высоковольтного преобразователя 21 внутрь камеры горения горелки через форсунку 9 и кольцевые электроды 10, 12, на процесс сжигания топлива в рассматриваемой топливной горелке. Поток электронов высокой энергии порядка десятков кВ благодаря электронной эмиссии с игольчатых шипов 9-1, 11, 13 форсунки 9, кольцевых электродов 10, 12 "бомбардирует" частицы топлива и воздуха, расщепляет их молекулы до ионов и радикалов, озонирует воздух, повышая его окислительную способность, а электрически заряженные частицы топлива, вылетающие из форсунки 9, лучше дробятся под действием электростатических сил отталкивания, что приводит к увеличению угла раскрытия струи топлива в электрическом поле в 1,5-2 раза по сравнению с обычным способом при том же давлении топливного насоса 3. Особенность нашего способа сжигания состоит не в термическом нагреве пламени электрическим током от преобразователя 21, а в интенсивной обработке ТВС и пламени потоками высокоэнергетичных электронов, эмиссируемых с шипов 9-1, 11, 13, разгоняемых по аналогии с электронной "пушкой" в кинескопе телевизионной трубки, благодаря усилительному эффекту силового воздействия на них электрического поля и введению ускорительного кольцевого электрода 10, выполняющего роль управляющей "сетки" по аналогии с радиолампами и известной электронной пушкой кинескопов. Поэтому для правильной эффективной работы такого электрополевого катализатора горения необходимо сохранение максимально возможной напряженности электрического поля в зоне горения, что обеспечивают в нашем случае выносом кольцевых электродов за фронт пламени для предотвращения "закорачивания" электрического поля через пламя путем регулирования их высоты подъема подвижными штангами 15 и выбором диаметра кольцевых электродов примерно из равенства с горизонтальным размером сжатого полем пламени. Именно поэтому оптимизатор режима 29 настраивает параметры электрополя в камере горения таким образом, чтобы потребляемые выходные токи с преобразователя 21 были в рамках расчетных токов эмиссии электронов и не перерастали в большие токи диффузного электрического разряда по объему пламени либо в иные формы разряда электрополя через пламя.
Поэтому в нашем способе потребление электроэнергии от сети минимально и составляет не более 0,5% от тепловой энергии сжигаемого топлива при повышении эффективности сгорания на 20-30%.
Другая причина улучшения сгорания топлива в нашем случае состоит в устранении двойного заряженного слоя по фронту обычного пламени, который возникает при реализации известных способов сжигания топлив вследствие обеднения объема пламени свободными электронами, более легко улетающими из пламени, по сравнению со значительно более тяжелыми (в тысячи раз) положительно заряженными радикалами топлива, что не позволяет эффективно окислять топливо (мало электронов), замедляет цепные реакции горения и снижает его эффективность.
В нашем случае благодаря потоку электронов с игл шипов 9-1, 11, 13 этот пространственный подвижный (квазисферический конденсатор) двойной слой разрушается, поскольку высокоэнергетичные электроны эмиссии, ускоренные полем, свободно проникают в зону пламени, преодолевая этот слой, и улучшают условия протекания цепных реакций деления более сложных радикалов топлива на все более мелкие благодаря физико-химическому взаимодействию заряженных радикалов топлива, свежих эмиссионных электронов и озона с выделением дополнительной энергии тепла и света, что и фиксировалось нами в опытах. Еще один экспериментально проверенный механизм интенсификации горения топлива состоит в резком сжатии по вертикали и расширении по горизонтали фронта пламени, по-видимому, под давлением на него потока электронной эмиссии и кулоновскими силами электрического конденсатора, образованного кольцевыми электродами и форсункой.
Экспериментально доказана высокая эффективность каталитического воздействия электрического поля на процесс сжигания любых топлив вследствие тонкого электростатического распыления топлива (механизм распыления показан на примере одной капли жидкого топлива Тд (см. чертеж), озонирования воздуха в электрическом поле и благодаря насыщению смеси "свежими" электронами, эмиссируемыми в зону пламени с игольчатых шипов 11, 13 электродов 10, 12 и с шипов топливной форсунки 9, что приводит к увеличению центров цепных реакций в зоне горения пламени и ускорению их протекания с повышением температуры, светимости факела пламени, "сжиманию" его в вертикальной плоскости и расширению фронта пламени в горизонтальной плоскости вследствие объемного выравнивания температур в факеле пламени, и созданным электрополем практически одинаковым условиям горения по всему "диску" горящего топлива.
Нами экспериментально установлено, что максимальная интенсификация электроогневого горения предлагаемым способом в новой топливной горелке (см. чертеж) обеспечивается при сжигании низкосортных жидких и твердых топлив, например, дизельного топлива, мазута, угля (экономия топлива 20-35% по сравнению с традиционным способом сжигания при улучшении экологических параметров отходящих газов на 30-90% по отдельным компонентам: дымность снижается на 80-90%, окись углерода на 40-70%, окись азота на 20-30%, углеводороды на 70-90%).
Дополнительный физический эффект, полезный в двигателестроении, достигаемый нашим способом, состоит в упорядочении направления теплопередачи и теплового расширения отходящих газов вдоль вектора силовых линий электрического поля, замыкающихся между топливной форсункой 9 и кольцевыми электродами 10, 12 вследствие наличия в пламени и ОГ заряженных частиц, радикалов топлива и окислителя, а также свободных электронов, что повышает эффективность преобразования тепловой энергии в тяговое усилие реактивной струи отходящих расширяющихся газов (до 20-30%). Физически этот эффект объясняется силовым воздействием электрических кулоновских сил от нашего источника электрополя 21 на заряженные частицы топлива и окислителя в зоне горения, ускоряющим их вдоль силовых линий поля и тормозящих их в иных направлениях. В идеальном случае эффективность такого преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию струи должна возрасти вдвое по сравнению с обычным способом вследствие электрополевого "связывания" двух степеней свободы теплового движения заряженных частиц топлива и полностью ионизированных частиц пламени и отходящих газов, что естественно на практике пока недостижимо.
В этом случае форму камеры сгорания внутри топливной горелки целесообразно выполнить, например, в виде реактивного сопла ЛавАля, а главный кольцевой электрод 12 устанавливают электроизолированно от корпуса горелки на срезе ее реактивного сопла для достижения наивысшей скорости струи отходящих газов, и, следовательно, электрогазо-реактивной тяги горелки, что приведет к экономии топлива и окислителя реактивных и газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.), а также в реактивных и газотурбинных двигателях, использующих также топливные горелки для преобразования тепловой энергии горения топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и отходящих газов. Топливная горелка снабжена управляющим и рабочим подвижными кольцевыми электродами, топливная форсунка электроизолирована от корпуса и высоковольтное напряжение подано на эти электроды и форсунку. Расстояния между электродами, форсункой и фронтом пламени выбраны по условию максимальной электронной эмиссии с игольчатых шипов (эмиссионных игл) электродов при заданной напряженности электрополя в рабочем объеме топливной горелки в зависимости от типа топлива и интенсивности его подачи в форсунку, настройку осуществляют по минимуму потребления тока высоковольтного преобразователя напряжения (источника электрического поля) при максимуме температуры и светимости пламени, т.е. поддерживают режим тлеющего разряда (максимальной электронной эмиссии) с форсунки через топливную смесь, через пламя на рабочий электрод от высоковольтного управляемого источника электрического поля. Технический результат состоит в том, что при минимуме потребления электроэнергии удается существенно интенсифицировать процесс сжигания топлива благодаря поляризации и электростатическому распылению топлива, благодаря озонированию воздуха и введению мощной электронной эмиссии в зону горения, вследствие устранения двойного электрически заряженного слоя по фронту пламени, благодаря ускорению перемешивания и окисления наэлектризованного топлива озонированным окислителем в зоне горения и в зоне отходящих газов. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
